任 濤，錢 銀，沈孝龍，吳 偉

（南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044）

太陽能發(fā)電檢測系統(tǒng)中MPPT算法的優(yōu)化與單片機的實現(xiàn)

任 濤，錢 銀，沈孝龍，吳 偉

（南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044）

為了提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的利用率，系統(tǒng)采用擾動觀察法的MPPT控制策略實現(xiàn)對太陽能發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤，但是在固定的變步長前提下，傳統(tǒng)的擾動觀察法會在最大功率點附近產(chǎn)生震蕩且易受外界環(huán)境的影響，難以同時獲得較快的響應速度和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。在此通過改變擾動法的占空比來解決傳統(tǒng)擾動法帶來的功率震蕩和誤判問題，同時系統(tǒng)控制器采用高性能低功耗的ATmega32單片機作為核心進行實驗。測試結(jié)果表明，該方法能夠保證太陽能系統(tǒng)快速、穩(wěn)定地跟蹤最大功率點，提高了充電效率。

太陽能發(fā)電；電量檢測；最大功率點跟蹤算法；單片機系統(tǒng)

由于石油價格的增長以及基于環(huán)境污染問題的考慮，可再生能源在發(fā)電系統(tǒng)中的地位日趨提升，特別是太陽能越來越受到國內(nèi)外的關(guān)注并開發(fā)利用。比如我國利用太陽能干燥技術(shù)，發(fā)展蔬菜、水果、藥材等精加工，這也是廣大農(nóng)村脫貧致富的一條有效途徑。日本提出創(chuàng)世紀計劃，即利用地面上沙漠和海洋面積進行發(fā)電，并通過超導電纜將全球太陽能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。如今歐洲的汽車行業(yè)既間接使用太陽能并網(wǎng)發(fā)電，同時也直接使用太陽能驅(qū)動汽車或為電池充電，這種太陽能汽車日益受到消費者信賴。

雖然具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點，太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但目前仍存在轉(zhuǎn)換效率低且價格昂貴等問題，為此，結(jié)合目前情況提出了一種適用于小辦公區(qū)域或別墅使用的小用戶太陽能發(fā)電及配電系統(tǒng)，其主要目的是在太陽能充電系統(tǒng)與負載之間接入最大功率點跟蹤器（MPPT），這對于提高太陽能充電效率至關(guān)重要[1]。

1 MPPT算法及改進

1.1 MPPT原理

MPPT（Maximum Power Point Tracking）是指系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤光伏電池的最大功率，目前常用的控制方法主要有擾動觀察法、電導增量法和恒定電壓法等。其中一般的擾動觀察法算法簡潔、實現(xiàn)容易和跟蹤效率高等特點得到廣泛應用[2]。當采用定步長的擾動觀察法時，步長越短，光伏系統(tǒng)在最大功率點附近振蕩的幅度越窄，能量損失越小，但達到最大功率點需要擾動的次數(shù)就越多，所用的跟蹤時間也越長，反之當步長較長時跟蹤速度快，但在最大功率點附近波動幅度大，能量損失也嚴重，因此太陽能系統(tǒng)最大功率點跟蹤的速度和穩(wěn)態(tài)精度難以同時保證，只能根據(jù)實際需求折中選取擾動步長，以獲得可接受的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

1.2 MPPT算法的改進

論文中提出一種占空比擾動法作為改進MPPT的算法[3]，通過當前輸出功率與前一時刻功率比較，決定下一時刻直流變換器的占空比D是增加或減小，從而確定輸出電壓的調(diào)整方向，當時，輸出功率dP/dD=0達到最大值，這種方法直接把占空比D作為控制參數(shù)，只需要一個控制循環(huán)，從而減小了控制器設計的復雜度.在擾動觀察法中[4]，調(diào)整占空比D時還存在調(diào)整步長大小的選擇問題：步長過小，跟蹤時間拉長而影響系統(tǒng)的動態(tài)響應特性；步長過大，輸出功率波動加大，其平均值大大小于最大值，穩(wěn)態(tài)誤差變大。該問題通過加入步長α的自動在線調(diào)整器得到解決，同時保證系統(tǒng)的動、穩(wěn)態(tài)性能，調(diào)整器公式如下：

其中α(k)為占空比D的調(diào)整步長，其值為0到1之間；dP=P(k)-P(k-1) 表示功率的變化大??；M為常數(shù)。

|dP|α(k)較小，表示功率的變化主要是由于占空比步長的調(diào)整引起的； |dP|α(k) 較大,則表示功率的變化主要是由環(huán)境因素造成的，因此，當光伏電池由于外界因素引起最大功率點大幅度漂移時，步長α變大，從而保證能夠快速跟蹤到新的最大功率點；當功率值變化較小時，調(diào)整器會假設系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài),α變小來保證控制信號的平滑.

圖1為改進的MPPT 控制算法程序流程圖。圖中slope變量作為步α的符號位，決定占空比D的變化方向，取+ 1 或- 1，當功率減小時，slope 取反；反之,slope不變。其他變量如e 決定控制器的跟蹤精度, M 則決定系統(tǒng)的柔韌性，兩者根據(jù)實際的控制要求與系統(tǒng)特性決定。

圖1 改進的MPPT控制算法程序流程圖Fig. 1 Flow chart of improved MPPT control algorithm and program

2 MPPT單片機的實現(xiàn)

2.1 總體設計思路

MPPT模塊主要包含五個模塊：太陽能電池板，BUCK DC/DC模塊，單片機PWM輸出控制模塊，PWM驅(qū)動模塊，蓄電池。MPPT控制的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MPPT控制的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Hardware structure of MPPT control diagram

2.1.1 Buck DC/DC轉(zhuǎn)換模塊

在本設計中太陽能電池是不能直接供給蓄電池的，一是因為這樣不能充分利用太陽能電池所發(fā)電能，二是對蓄電池有害，在此提出降壓式變換器方案[5]，其原理如圖3所示。

圖3 BUCK 型充電電路Fig. 3 BUCK charging circuit

PV+為光伏發(fā)電輸入端，VB+和VB-為蓄電池的輸入端。它采用脈寬調(diào)制的方法，利用增強型P溝道MOS管工坐在開關(guān)狀態(tài)將太陽能太陽能電池輸出的直流信號變換成具有可變占空比的方波信號，以此來改變太陽能電池陣列的等效負載。MOS管與太陽能電池陣列串聯(lián)，CPU產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)過NPN三極管驅(qū)動，驅(qū)動MOS管開關(guān)。D3為瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS），對MOS管進行箝位保護，防止MOS管的VGS超過20 V。D1和D2為“防反充”二極管，只有當太陽能輸出電壓高于直流變換器輸入電壓，直流變換器輸出電壓高于蓄電池輸入電壓時才能導通，反之截止從而保證電路的安全運行。電容電感在這里起濾除波紋的作用。因為輸入電流脈動會引起對輸入電源的電磁干擾，所以在輸入端加入2 200μF的電解電容濾波。

D4為續(xù)流二極管，線圈在通過電流時會在兩端產(chǎn)生感應電動勢，當電流消失時其感應電動勢會對電路中元件產(chǎn)生反向電壓，當反向電壓高于元件擊穿電壓時會損壞電路，續(xù)流二極管并聯(lián)在兩端，當流過線圈的電流消失，保護電路中其他元件。并且電感可以通過它給負載提供持續(xù)電流，以防止負載電流突變，起到平滑電流的作用。CPU根據(jù)采樣所得實時功率改變PWM占空比D，當D上升時導通時間變大，充電電流上升，反之下降，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。

2.1.2 PWM模塊

ATmega32的優(yōu)點就是自帶的PWM發(fā)生器，內(nèi)置的3個定時器都可以產(chǎn)生PWM波形，TC0和TC2只有八位的頻率精度，TC1可以達到十六位精度并且具備兩個輸出通道，可以產(chǎn)生兩路不通占空比的PWM波形。并且可以通過修改控制字調(diào)整定時器工作模式，調(diào)整輸出PWM的頻率和占空比，可以極大簡化了電路設計的難度。PWM輸出模塊如圖4所示。

2.1.3 ATmega32電路

圖4 PWM輸出模塊Fig. 4 PWM output module

ATmega32單片機具有高速度、低功耗、抗干擾性好、高度保密、驅(qū)動能力強等優(yōu)點，ATmega32單片機具有ADC所以在此轉(zhuǎn)換功能和定時計數(shù)器的相位修正PWM功能，所以在此利用ATmega32來作為MPPT控制部分的核心來設計PWM輸出頻率和占空比，電路如圖5。

2.1.4 電壓電流檢測模塊

圖5 ATmega32單片機電路Fig. 5 Microcontroller ATmega32 circuit

擾動觀察法的MPPT算法在實際運行中由于光照，環(huán)境溫度的變化會引起較大的功率振蕩，所以在MPPT系統(tǒng)中，電壓電流的數(shù)據(jù)需要采集過濾[6]。在此設計一個簡單的濾波檢測模塊，優(yōu)化算法在擾動觀察法中引入統(tǒng)計學地方法，即采集十個數(shù)據(jù)運用冒泡法排序剔除最大值和最小值，再求平均值。具體算法如圖6所示。

圖6 電壓電流檢測模塊Fig. 6 Voltage and current detection module

2.2 實驗測試

為了驗證所提出算法的有效性，實驗選用的太陽能電池的標準測試條件為AM1.5光譜，1 000 W/m2，測試溫度25 ℃。

2.2.1 BUCK變換器的檢測

BUCK變換器的性能主要是看其輸出輸入比，測量結(jié)果如圖7（測量是在PWM波的占空比為0.4的情況下進行的）。

圖7 BUCK變換器輸入輸出比Fig. 7 BUCK converter with input and output ratio

數(shù)據(jù)分析：變換器的輸出輸入比并不與初始設定的占空比大致一致?；緷M足性能指標。

2.2.2 最大功率點的調(diào)試

數(shù)據(jù)分析：由于以穩(wěn)壓源來模擬太陽能電池，有一定局限性，所測得充電功率較小，數(shù)據(jù)不是非常精確，且?guī)в蠱PPT功能的充電控制器在性能上并不能看出比不帶有MPPT的性能好，但大致看來，功率檢測部分數(shù)字較為準確，帶有MPPT的充電控制器充電效能較好數(shù)據(jù)分析如表1。

表1 模擬太陽能電池給蓄電池充電數(shù)據(jù)Tab.1 The data of simulation solar battery charging

3 結(jié) 論

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，優(yōu)化MPPT算法有利于降低系統(tǒng)成本，提高太陽能發(fā)電率。本文主要分析了傳統(tǒng)擾動觀察法的不足之處，然后通過調(diào)節(jié)占空比來避免外界光強發(fā)生快速變化而引起的錯誤判斷的現(xiàn)象。整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)是在實驗室條件下進行的，用實驗室電源模擬太陽能電池，具有一定的局限性，但本實驗的重點不在于測量太陽能電池板的性能，而是要檢驗功率檢測的精確度和最大功率點跟蹤的實際效果，因此是能夠從一定程度上反應設計效果的。從測量結(jié)果來看該改進算法能準確跟蹤太陽能最大功率點，且動態(tài)性能大大改善，有效地解決傳統(tǒng)定步長擾動法的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)跟蹤精度不能同時獲得的問題，提高了充電效率。

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The optimization of MPPT algorithm in solar power system and MCU’s realization

REN Tao, QIAN Yin, SHEN Xiao-long, WU Wei
（College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing210044,China）

In order to improve the utilization rate of solar power systems, system uses the control strategy of MPPT disturbance observation method for solar power system with maximum power point tracking. But when the variable step size is fixed, traditional perturbation and observation method will generate the shock near the maximum power point and easily influenced by the external environment, it is difficult to obtain a higher response rate and the steady-state tracking accuracy at the same time. By changing the duty ratio of the traditional perturbation method, the power oscillation and false problem can be solved. at the same time, the system controller uses high performance and low power consumption ATmega32 microcontroller as the core experiment. The test results show that, this method can ensure the solar system quickly, stably track the maximum power point, which improves the charging efficiency.

solar energy power generation; power detection; the maximum power point tracking algorithm; single chip microcomputer system

TN06

A

1674-6236(2014)07-0102-04

2013-07-30稿件編號201407226

江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃第八期教改項目(11CX009)

作者簡介：任 濤(1990—)，男，江蘇揚州人。研究方向：信號與信息處理。